Эффект(принцип) суперпозиции квантовых состоянийспособность квантового объекта находиться в суперпозиции, то есть одновременно в двух когерентных состояниях. Изолированная двойная квантовая точка (наноскопическая пространственная неоднородность), созданная на кремниевом кристалле, проявляет себя как кубит со временем декогерентизации, во много раз большим, чем реализация в арсениде галлия. Эффект имеет значимость для создания квантовых компьютеров. 6)Эффект спиновой поляризации электронов. В качестве высокочувствительных датчиков магнитного поля используются наноструктуры, состоящие из чередующихся слоев наномасштабных магнитных и немагнитных материалов. Перенос поляризованных по спину электронов между магнитными слоями на расстояние в несколько нанометров позволяет таким структурам реагировать на ничтожно малое изменение магнитного поля, которое соответствует биту информации, хранимой на компьютерном диске. 7) Эффект квантового удержания – увеличение оптической ширины запрещённой зоны квантовых точек при увеличении размера квантовой точки. Этот эффект позволяет приблизить оптические свойства кремния к свойствам арсенида галлия. 8)Эффект ядерного и электронного спинового резонанса. Позволяет создать магнитный резонансный микроскоп для измерения характеристик магнитных доменов и описания магнитных сред записи информации. 9)Эффект экситонного поглощения состоит в поглощении световой энергии путём образованию водородоподобного связанного состояния между электроном и дыркой, что приводит к поглощению света наноматериалом на более низких частотах. Эффект имеет большое значения для создания оптических наноматериалов.
МОП-транзисторы со структурой "кремний-на-изоляторе" МОП-транзисторы, изготовленные по технологии "кремний на изоляторе" (КНИ), являются весьма перспективными для создания микромощных и высокоскоростных СБИС с напряжением питания до 1,2 В и менее, поскольку наличие толстого окисла вместо кремния под областями истока и стока существенно уменьшает величину ёмкости на подложку. Вторым преимуществом является простой процесс изоляции компонентов и высокая плотность интеграции благодаря отсутствию изолирующих карманов. КНИ-структуры отличаются высокой радиационной стойкостью и повышенной надёжностью при высоких температурах. Короткоканальные эффекты в КНИ-приборах могут быть подавлены простым уменьшением толщины кремниевого слоя. Наклон подпороговой характеристики у КНИ-транзисторов получается практически идеальным. Транзисторы высокого качества получаются на плёнках кремния толщиной 8 нм.
КНИ-структур не является бесспорной. Основная проблема состоит в том, что КНИ-транзисторы имеют увеличенный подпороговый ток вследствие эффекта плавающей подложки, который устанавливает предел понижению потребляемой мощности в выключенном состоянии транзисторного ключа. Попытка понизить этот ток приводит к увеличению порогового напряжения, которое не позволяет уменьшить напряжение питания для уменьшения потребляемой мощности. Вторым принципиальным аргументом является то, что малая собственная ёмкость КНИ-транзистора перестаёт быть его преимуществом при дальнейшем сокращении размеров, поскольку уже в современных СБИС задержка в межсоединениях превышает задержку в вентилях. Для КНИ-структур используют три способа изоляции: локальное окисление кремния (LOCOS), изоляция мелкими канавками (STI) и меза-изоляция. LOCOS-изоляцию трудно использовать при нормах проектирования менее 0,25 мкм из-за "птичьего клюва", который ограничивает возможности получения изолирующих областей малой площади. STI-изоляция является сравнительно дорогостоящим процессом.
Оригинальная КНИ-структура – «кремний ни на чём» (Silicon-on-Nothing, SON). В качестве изолятора в ней использован воздух. Эта технология объединяет положительный качестваобычной структуры транзисторов на кремнии с достоинствами КНИ.
КНИ-структура с длиной канала 0,28 мкм и шириной 9,1мкм
МОП-транзисторы с толщиной р-п переходов и толщиной канала 5 нм.
МОП-ТРАНЗИСТОРЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ КАНАЛА
Транзисторы с двойным и с окольцовывающим затвором Для разработки МОП-транзисторов с длиной канала менее 100 нм в соответствии с правилами масштабирования необходимо уменьшать глубину залегания p-n-переходов и толщину окисла. Однако для транзисторов с длиной канала менее 100 нм ток туннелирования через затвор становится очень большим и ограничивает мощность, потребляемую СБИС в режиме покоя, а мелкие p-n-переходы приводят к большому сопротивлению контактных областей. Транзисторы с двойным или окольцовывающим затвором - когда затвор с двух (или совсех) сторон охватывает область канала. Такой подход позволяет эффективно управлять энергетическим барьером между истоком и стоком и существенно ослабить большинство короткоканальных эффектов в транзисторах с проектными нормами менее 50 нм. Уменьшается также ёмкость р-n-переходов, улучшенная радиационная стойкость. Двойная плотность заряда инверсионного слоя увеличивает нагрузочную способность транзистора. С двойным затвором На толстом слое окисла создаётся островок кремния в форме бруска, который служит каналом транзистора. Затвор охватывает область канала с трёх сторон. Это обеспечивает большую передаточную проводимость и малые токи утечки в подпороговой области. Канал транзистора получается сильно обеднённым. Транзистор работает в режиме объёмной инверсии полупроводника. Транзистор имеет толщину окисла 2,5 нм и длину канала до 10 нм, высота канала составляет 50 нм, толщина - от 10 до 120 нм. Конструкция транзистора разработана таким образом, что его топология не отличается от обычного интегрального МОП-транзистора. Однако особенностями конструкции является самосовмещённость затворов друг с другом и с областями истока и стока, затвор выполнен из SiGe, низкоомные областям истока и стока выполнены из поликремния или поли-Si0,85Ge0,15,легированного фосфором.
С окольцовывающим затвором Ток канала течёт перпендикулярно поверхности кристалла, и затвор со всех сторон окружает канал (Surrounding Gate Transistor, SGT). Такая структура обеспечивает минимальную ёмкость обеднённого слоя и поэтому практически весь заряд затвора уравновешивается зарядом носителей в канале и тонком обеднённом слое. Поэтому такая структура имеет минимальные подпороговые токи и большую передаточную проводимость. Вертикальное расположение канала обеспечивает высокую степеньинтеграции. Это позволяет использовать транзисторы с окольцовывающим затвором для построения ячеек памяти статических, динамических и электрически программируемых запоминающих устройств. Недостатками описанных конструкций являются высокое тепловое сопротивление между каналом и подложкой, которое вызывает сильный саморазогрев и, как следствие, увеличенное рассеяние носителей на фононах, а также увеличенное паразитное последовательное сопротивление областей истока и стока.
Транзисторы с вертикальным каналом Изготовление канала в вертикальном направлении снижает площадь кристалла, но позволяет делать канал длинным и избавиться таким образом от короткоканальных эффектов, в частности, уменьшить подпороговый ток, что особенно важно для ячеек памяти. На рис. поликремний охватывает область истока, если посмотреть на транзистор сверху, поэтому области поликремния оказываются электрически соединены.
Структура может быть модифицирована для получения вертикального транзистора с двойным затвором и каналом длиной 70 нм. Для этого n± область истока делают очень тонкой, тогда вертикально направленный ток канала оказывается заключен между двумя затворами, что снижает влияние короткоканальных эффектов и уменьшает подпороговый ток.
Лазеры с квантовыми ямами и точками Самым распространенным типом полупроводникового лазера является лазер на двойной гетероструктуре, где активная область представляет собой тонкий слой узкозонного полупроводника между двумя широкозонными. При достаточно малой толщине активной области она начинает вести себя как квантовая яма и квантование энергетического спектра в ней существенно меняет свойства лазеров. Основное влияние на свойства лазеров оказывает изменение плотности состояний, происходящее под влиянием размерного квантования. Если в массивном полупроводнике в непосредственной близости от края зоны эта величина мала, то в квантово-размерной системе она не убывает вблизи края, оставаясь равной 4πm/πh2. Создание лазеров с квантово-размерной активной областью позволило получить непрерывную генерацию при комнатной температуре и в дальнейшем снизить пороговый ток инжекционного лазера до величин ~ 50 А/см2. Благодаря иной энергетической зависимости плотности состояний меняется не только величина порогового тока, но и его температурная зависимость. Она становится более слабой, в силу чего непрерывную генерацию удается получить не только при комнатной температуре, но и при температурах на много десятков градусов выше. Другой важной особенностью лазеров на квантовых ямах является возможность их частотной перестройки. Минимальная энергия излучаемых световых квантов равна hn = Eg + E1e + E1h. Она меняется при изменении a (ширина квантовой ямы, и т.п.), т. е. путем изменения ширины квантовой ямы можно осуществлять перестройку частоты генерации, сдвигая ее в коротковолновую сторону по сравнению с лазерами с широкой (классической) активной областью. В квантовых точках энергетический спектр меняется еще более радикально, чем в квантовых ямах. Отсутствуют состояния, которые не принимают участия в усилении оптического излучения, но содержат электроны. Это уменьшает потери энергии и как следствие уменьшает пороговый ток. Лазеры могут содержать одну или (для увеличения оптического усиления) несколько плоскостей, заполненных квантовыми точками. Согласно теоретическим оценкам, диодные лазеры с активной средой из квантовых точек должны обладать значительно лучшими свойствами по сравнению с лазерами на квантовых ямах, а именно: существенно большим коэффициентом усиления, меньшей пороговой плотностью тока, полной невосприимчивостью к температуре решетки, лучшими динамическими характеристиками и большими возможностями для контроля за энергией кванта излучения.
|
